JP2012191842A - 回転体用の分割型チューニングリング - Google Patents

Abstract

【課題】機械加工とともに作業の容易なねじり周波数調整手段を提供する。
【解決手段】分割型チューニングリング１００は、回転体１０４の第１の部分１０６と第２の部分１０８とを互いに結合するフランジ継手１０２に取り付けられる。分割型チューニングリング１００は、回転体１０４の振動数を調整する。分割型チューニングリング１００は、回転体１０４が機械内の動作位置にあるとき、回転体１０４上にボルト締めすることができ、したがって、回転体１０４を機械から取り外す必要がなくなる。
【選択図】図１

Description

本出願は、２００９年３月２７日に出願した、現在係属中の「ＴＵＮＩＮＧ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＯＦ ＲＯＴＡＴＩＮＧ ＢＯＤＹ ＴＯＲＳＩＯＮＡＬ ＭＯＤＥ ＢＹ ＡＤＤＩＮＧ ＤＥＴＵＮＥＲ」という名称の米国特許出願第１２／４１２，６１９号（整理番号２３２８３６）に関連する。

本発明は、一般に回転体技術に関する。より詳細には、本発明は、回転体のフランジ継手に取り付ける分割型チューニングリングを使用して、回転体の振動数、即ちねじりモードを調整する解決策に関する。

ロータ等の回転体は、発電機、モータ、及び他の同様の装置を含む、多くの様々なタイプの機械的要素及び電気的要素に使用される。これらの回転体は、複数のねじり固有振動数モードを有し、応力、疲労、性能等を含む様々な理由により、これらの振動数モードを一定の範囲内に維持するのが望ましい。例えば、タービンロータ、又は回転体を含む他の機械的要素は、通常、ライン振動数の２倍に近い、少なくとも１つのねじり固有振動数モードを有する。この振動数モードがライン振動数の２倍に近づきすぎて励振した場合、結合されたタービンの終段バケット等の、結合体の部品を故障させる可能性がある。

現在、回転体ねじりモードの振動数は、当該の回転体モードの振動数に直接影響を及ぼす慣性又はねじり剛性の変化によりシフトする可能性がある。これらの修正を行う現在の手法は、ロータの軸方向にわたり、ロータの部品間の継手上に大型の焼嵌めチューニングリングを追加し、又は取り外すことである。したがって、ねじり固有振動数又はその近くで動作している回転体ねじりモードの振動数を調整する現在の方法は、ロータの軸方向にわたり、ロータの部品を結合する継手上に焼嵌めチューニングリングを取り付け／取り外すことができるように、最低でも、ロータを原動機から分離させ、ロータを露出させることを必要とする。このプロセスは、極めて時間がかかり、高価である。

さらに、焼嵌めチューニングリングは、大型で高強度の高価なリングである。この方法がねじり固有振動数モードの十分なシフトをもたらさないとき、回転体、又は継手内の構成要素は、状況に応じて剛性又は慣性を取り除くために機械加工する必要がある。機械加工は、通常、現場での旋盤、又は発電機を作業場から完全に取り外し、機械加工のサービス工場に送ることを必要とするので、修正がうまくいかないとき、機械加工は、一般に、容易に元に戻すことができない。これらのステップのそれぞれは、解決策に多大な費用を付加し、広範囲の作業が必要なとき、停止時間を長引かせる。

米国特許第７７１７０１３号明細書

本発明の開示の第１の態様は、回転体の第１の部分と第２の部分とを互いに結合するフランジ継手に取り付けられ、回転体の振動数を調整する、分割型チューニングリングを含む装置を提供する。

本発明の開示の第２の態様は、フランジ継手により第２の部分に結合する第１の部分を含む回転体と、フランジ継手に取り付けられ、回転体の振動数を調整する、分割型チューニングリングとを含むシステムを提供する。

本発明の開示の第３の態様は、フランジ継手により第２の部分に結合する第１の部分を含む回転体を設け、回転体の振動数を調整するのに機械内の動作位置に回転体と共に、フランジ継手に分割型チューニングリングを取り付けることを含む方法を提供する。

本発明の実施形態による、回転体のフランジ継手に結合する分割型チューニングリングを示す斜視図である。 本発明の別の実施形態による、回転体のフランジ継手に結合する分割型チューニングリングを示す斜視図である。 図２の実施形態の断面図である。 本発明の実施形態による分割型チューニングリングの区画間の対合要素の実施形態の断面詳細図である。 本発明の実施形態による分割型チューニングリングの区画間の対合要素の実施形態の断面詳細図である。 本発明の実施形態による分割型チューニングリングの区画間の対合要素の実施形態の断面詳細図である。 本発明の別の実施形態による、回転体のフランジ継手に結合する分割型チューニングリングを示す斜視図である。

本発明の図面は、原寸に比例していないことに留意されたい。これらの図面は、本発明の典型的な態様のみを示すものとし、したがって、本発明の範囲を限定するものとみなすべきでない。

図面を参照すると、図１は、本発明の実施形態による、回転体１０４のフランジ継手１０２に結合する分割型チューニングリング１００を含む装置を示す斜視図を示す。分割型チューニングリング１００が回転体１０４に結合するとき、分割型チューニングリング１００なしの状態から回転体の振動数を調整する。例えば、分割型チューニングリング１００は、回転体のねじりモードの固有振動数を上回るか、又は下回る回転体１０４のねじりモードの振動数を調整することができる。分割型チューニングリング１００を介して、他の調整も可能とすることができる。

回転体１０４は、任意の形態の機械内の任意の形態の回転体とすることができる。回転体１０４は、最も応用できる設定では、例えば、ガスタービン、蒸気タービン、若しくはガス蒸気複合タービン、又は発電機等の電気力学的機械のロータの回転軸を含むことができる。上述の設定において明らかになるように、分割型チューニングリング１００は、回転体を機械内の動作位置から取り外すことなく、その取付け及び回転体１０４の調整を可能にする。即ち、従来の焼嵌めチューニングリングとは対照的に、分割型チューニングリング１００は、回転体の取外しを必要とせず、その結果、分割型チューニングリング１００をその長さに沿って軸方向にフランジ継手まで渡すことができる。その結果、回転体１０４がその動作位置に留まることができるため、その調整には、時間及び費用をそれほど必要としない。回転体１０４は、機械内のベアリング等の任意の既知の手段により支持することができることが理解されよう。フランジ継手１０２は、回転体１０４の第１の部分１０６と第２の部分１０８とを互いに結合する。第１のフランジ１１０は、第１の部分１０６に結合し、第２のフランジ１１２は、第２の部分１０８に結合する。第１のフランジ１１０は、複数のボルト１１４により第２のフランジ１１２に結合する。回転体１０４は、フランジ１１０、１１２を通して延長し、又はフランジに突合せ結合することができる。いずれの場合も、フランジ１１０、１１２は、任意の現在既知の技術又は後に開発される技術を使用して、例えば、溶接又はそれらを一体に形成することにより、ロータ部品に結合することができる。

一実施形態では、分割型チューニングリング１００は、複数のボルト１１４を使用してフランジ継手１０２に取り付けられる。即ち、フランジ継手１０２を結合するために使用する同じボルトを、分割型チューニングリング１００を取り付けるために使用することができる。ナット及び／又はワッシャ等のそのための付属構造を含むことができるボルト１１４は、分割型チューニングリング１００により形成される付加的な応力に耐えるのに従来のボルトに対して修正することができる。例えば、ボルト１１４は、異なる材料、軸、ヘッド、又はボルトのより大きい又はより小さい直径、異なるねじ（ボルト及びナットも）、異なるワッシャ（使用する場合）、追加された着座面等を有することができる。別の実施形態では、フランジ継手１０２を結合するのに第１の組のボルトを使用し、分割型チューニングリング１００をフランジ継手１０２に取り付けるのに別の組のボルトを使用することができる。この場合、フランジ継手１０２に直接隣接する分割型チューニングリング１００は、ナット用の嵌込部等の、その中の開口部（図示せず）に合うボルトを含むことができる。この後者の実施形態は、図２〜３に示すものと全く異ならないように見えることが理解されよう。

図１の実施形態では、単一の分割型チューニングリング１００は、フランジ継手１０２の軸方向対向表面１２０（リング１００の裏）に結合するように示す。しかし、図２及び３に示すように、別の実施形態では、分割型チューニングリング１００は、複数の、軸方向で位置決めされた分割型チューニングリング１４０を含むことができる。即ち、１つ又は複数の分割型チューニングリング１００は、フランジ継手１０２の各軸方向対向表面１２０（リング１００の裏）に結合することができる。

図１〜３の実施形態では、分割型チューニングリング１００は、回転体１０４にほぼ垂直に着座する実質的に平坦なリングを形成するように円周方向に互いに隣接して配置される、複数の実質的に平坦な弓状区画１３０を含む。図１では、各弓状区画１３０は、約１８０°に延びる。図２では、各弓状区画１３２は、約１２０°に延びる。１つより多い分割型チューニングリング１００を使用する場合、隣接する分割型チューニングリング１００は、同じ数の区画１３２を有する必要はない。実際に、合わせるときに区画がリングを形成する限り、任意の数の区画を使用することができる。一実施形態では、図２に最も良く示されているように、あらゆる場合で必要なわけではない可能性があるが、第１の分割型チューニングリング１４４の隣接する区画１３２間の継目１４２は、軸方向に隣接する第２の分割型チューニングリング１４８の隣接する区画１４７間の継目１４６と重ならない。即ち、いずれの隣接する分割型チューニングリング１００も、同じ数の継目を有し、それらの継目が円周方向にオフセットしている（即ち、回転体１０４の周りに異なる回転角度でリングを取り付けることにより）か、又は、隣接するリング１００は、それらの継目が位置的に合わさらないように同じ数の区画を含まない。このオフセット配置は、区画の動きを防止するのに役立つことができる。

図３に示すように、１つより多い分割型チューニングリング１００を使用する場合、分割型チューニングリング１００は、同じ直径又は軸方向範囲を有する必要がない。

図４〜６を参照すると、各分割型チューニングリング１００は、様々なタイプの動きに耐える対合要素を含むことができる。例えば、図４及び５は、区画１３２間の軸方向の動き、即ち双頭の矢印で示すように回転体１０４に平行な動きに耐える、円周方向に隣接する区画１３２間の対合要素１７０、１７２の断面詳細図を示す。図４では、対合要素１７０、１７２は、弓状区画１３２の当接面上の、対合する角度の付いた表面である。図５では、対合要素１７０、１７２は、舌部と溝タイプの要素である。図６は、舌部と溝タイプの要素である対合要素１８０、１８２を含む、分割型チューニングリング１００の軸方向に隣接する区画１３２を示す。この場合、対合要素１８０、１８２は、ページの内側及び外側への、分割型チューニングリング１００の間のそれらの円周方向の動きに耐える。図示した対合要素は、単なる例示であり、動きに耐えるのに、広範囲の様々な他の対合要素又は他の技術を可能とすることができることが理解されよう。さらに、上述の実施形態の組合せ、例えば、図４及び図６の対合要素を共に使用することができる。

図７は、本発明による、分割型チューニングリング２００の別の実施形態の斜視図を示す。この場合、分割型チューニングリング２００は、フランジ継手１０２の円周表面２０２に取り付けられる。その結果、各区画２３２は、実質的に弓状且つ半環状である。この場合、複数のボルト２１４が、分割型チューニングリング２００を取り付けるのにフランジ継手１０２内に半径方向に延びる。任意数の区画２３２を使用することができる。隣接する分割型チューニングリング２００の区画２３２間の継目２４２は、オフセットすることができるが、これは必須ではない。２つの分割型チューニングリング２００を示したが、各フランジ１１０、１１２用の分割型チューニングリング２００（後者をここで示す）は、単一のリング又は２つよりも多いリングを含むことができる。

動作中、回転体１０４は、例えば、フランジ継手１０２の近くで回転体１０４に結合する任意の構造を取り外して、機械内の動作位置に設けることができる。次に、回転体の振動数を調整するのに機械内の動作位置に回転体１０４と共に、分割型チューニングリング１００をフランジ継手１０２に取り付けることができる。適切に調整された回転体１０４に必要な分割型チューニングリング１００の物理的特性を特定するのに、取付け前に振動数試験を行うことができる。最初の分割型チューニングリング１００の取付け後、さらに調整が必要であることがわかった場合は、第１の区画１３２を、少なくとも１つの異なる物理的特性を有する第２の区画１３２と取り換えることにより、分割型チューニングリングの少なくとも１つの物理的特性を調整することができる。物理的特性は、例えば、材料、重量、サイズ（例えば、直径又は軸方向範囲）、剛性、慣性等を含むことができる。或いは、必要な調整を行うのに、１つ又は複数の分割型チューニングリング１００を修正し、追加する、又は取り外すことができる。

分割型チューニングリング１００、２００により提供される物理的特性の変化は、回転体１０４の振動のねじり振動数に影響を及ぼす。一例では、オペレータは、回転体１０４のねじり振動数が対象とする回転体ねじりモードの固有振動数と実質的に同じとなるように、分割型チューニングリング１００、２００を調整することができる。分割型チューニングリング１００、２００を使用して、他の調整要求も達成可能である。いくつかの実施形態の別の利点は、２つ以上の分割型チューニングリング１００、２００が重複端部により互いに隣接するとき、重複端部間のボルト１１４に剪断応力が負荷され、リングが自立支持できることである。この場合、２つ以上の分割型チューニングリング１００、２００がフランジ継手１０２の統合式フランジ１１０又は１１２にボルト締めされるときでも、フランジ継手１０２は、負荷を担持するのに従来設けられたものほど実体的な部材とする必要もない。即ち、フランジ継手１０２は、軸方向位置を提供するために使用することができるだけである。

本明細書内の用語「ｆｉｒｓｔ（第１の）」、「ｓｅｃｏｎｄ（第２の）」等は、どんな順序、量、又は重要度も示すものではなく、むしろ、ある要素を別の要素と区別するために使用し、本明細書内の用語「ａ（１つの）」、「ａｎ（１つの）」は、量の制限を示すものではなく、むしろ、参照項目の少なくとも１つの存在を示すものである。量に関して使用する修飾語「ａｂｏｕｔ（約）」は、記述した値を包含し、文脈により表される意味を有する（例えば、特定の量の測定値に関する誤差の程度を含む）。

本明細書に様々な実施形態を説明したが、本明細書内の、要素の様々な組合せ、変形、又は改良は、当業者により行うことができ、それらが本発明の範囲内にあることは、本明細書より理解されよう。さらに、本発明の基本的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に合わせるのに、多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実行するのに企図する最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むものとする。

１００ 分割型チューニングリング
１０２ フランジ継手
１０４ 回転体
１０６ 第１の部分
１０８ 第２の部分
１１０ 第１のフランジ
１１２ 第２のフランジ
１１４ ボルト
１２０ 面
１３０ 弓状区画
１３２ 弓状区画
１４０ チューニングリング
１４２ 継目
１４４ 第１の分割型チューニングリング
１４６ 継目
１４７ 区画
１４８ 第２の分割型チューニングリング
１７０、１７２ 対合要素
１８０、１８２ 対合要素
２００ 分割型チューニングリング
２０２ 円周表面
２１４ ボルト
２３２ 区画
２４２ 継目

Claims (10)

1. 回転体（１０４）の第１の部分（１０６）と第２の部分（１０８）とを互いに結合するフランジ継手（１０２）に取り付けられ、前記回転体（１０４）の振動数を調整する分割型チューニングリング（１００）
   を備える装置。
2. 前記分割型チューニングリング（１００）が、円周方向に互いに隣接して配置される、複数の弓状区画（１３０）を含む、請求項１記載の装置。
3. 前記分割型チューニングリング（１００）が、前記フランジ継手（１０２）の軸方向対向表面（１２０）に取り付けられ、前記分割型チューニングリング（１００）の各区画が、実質的に平坦且つ弓状である、請求項１記載の装置。
4. 前記分割型チューニングリング（１００）が、複数の、軸方向で位置決めされた分割型チューニングリング（１４４、１４８）を含む、請求項３記載の装置。
5. 第１の分割型チューニングリング（１４４）の隣接する区画間の継目（１４２）が、軸方向に隣接する第２の分割型チューニングリング（１４８）の隣接する区画（１４７）間の継目（１４６）に重ならない、請求項４記載の装置。
6. 各分割型チューニングリング（１００）が、対合要素間の円周方向の動きに耐える、軸方向に隣接する区画間の対合要素（１７０、１７２）、及び対合要素間の軸方向の動きに耐える、円周方向に隣接する区画（１３２）間の対合要素（１８０、１８２）のうちの少なくとも１つを含む、請求項４記載の装置。
7. 前記フランジ継手（１０２）が、複数のボルト（１１４）により第２のフランジ（１１２）に結合する第１のフランジ（１１０）を含み、前記分割型チューニングリング（１００）が、前記複数のボルト（１１４）を使用して前記フランジ継手（１０２）に取り付けられる、請求項３記載の装置。
8. 前記分割型チューニングリング（１００）が、１対の分割型チューニングリング（１４４、１４８）を含み、一方が前記フランジ継手（１０２）の各軸方向対向表面に取り付けられる、請求項１記載の装置。
9. 前記回転体（１０４）が、前記フランジ継手（１０２）上への前記分割型チューニングリング（１００）の取付け中、動作位置に留まる、請求項１記載の装置。
10. 前記分割型チューニングリング（２００）が、前記フランジ継手（１０２）の円周表面（２０２）に取り付けられ、前記分割型チューニングリング（２００）の各区画（２３２）が、実質的に弓状且つ半環状である、請求項１記載の装置。

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